零件失效分析失效分析基础知识

第2章失效分析基础知识零件失效形式与来源应力集中与零件失效残余应力与零件失效材料的韧性与断裂设计应力分析与失效分析金属构件中可能引起失效的常见缺陷2.1机械零件失效的形式与来源机械零件失效形式(1)按照失效的形态分类过量变形断裂表面损伤a.过量变形扭曲：花键高低温下的蠕变拉长：紧固件弹性元件发生永久变形b.断裂一次加载断裂磨损环境介质引起的断裂疲劳断裂c.表面损伤腐蚀重点机械零件失效形式(2)根据失效的诱发因素分类机械力引起的失效热应力引起的失效摩擦力引起的失效活性介质引起的失效(3)根据产品的使用过程分类早期失效偶然失效损耗失效机械零件失效形式(4)从经济法的观点对失效分类产品缺陷失效误用失效受用性失效损耗失效在进行失效分析时，应将失效的模式、失效的诱发因素及失效后的表现形式综合考虑，对于获得正确的分析结果是至关重要的。机械零件失效形式起因（%）腐蚀29疲劳25脆性断裂16过载11高温腐蚀7应力腐蚀/腐蚀疲劳/氢脆6蠕变3磨损、擦伤、冲刷3表1在一般工业工程中调查失效模式的比例起因（%）疲劳61过载18应力腐蚀8过度磨损7腐蚀3高温氧化2应力破坏1表2航空零件失效模式的比例常用零部件的工作条件、失效形式和性能指标齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。以齿轮为例：齿面点蚀：轮齿工作面承受近似脉动的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤现象。点蚀是闭式传动常见的失效形式。点蚀首先出现在节线附近。齿面胶合：高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑油膜被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。塑性变形：重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会沿摩擦力方向产生塑性变形。压力容器与管道典型失效案例西安“3·5”液化石油气站特大爆炸事故1998年3月5日，西安液化石油气站2个400m3球罐发生特大爆炸事故。事故过程为：下午4：40发现1号球罐下部排污管道法兰泄漏，因缺乏先进的堵漏技术，泄漏持续约3h，整个厂区充满了石油气，配电间电火花引爆，形成厂区大火，使球罐温度急剧升高，最终物理爆炸。法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。事故性质确定为设备事故。氢腐蚀是蒸汽管道、锅炉管与石油化工临氢高温装备中较常见的失效模式。这种失效模式可能没有明显的腐蚀现象，但是材料性能严重退化，事故的隐患已经存在。在氢处理、重整、加氢裂化等装置中，温度超过260℃，氢的分压大于689kPa，就有可能发生氢分子在钢的表面分解为原子氢而发生腐蚀。氢腐蚀是原子氢进入钢铁材料，并与碳化物反应生成甲烷(Fe3C+4H→3Fe+CH4)，由于甲烷的分子尺寸大而不易扩散，会使甲烷在晶界或相界面等处聚集产生局部高压，形成微裂纹，进而材料脆化。氢腐蚀(高温氢侵蚀)引起的蒸汽管道爆管事故硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道爆裂事故四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂事故，其中一起发生在1995年底，泄漏的天然气引起了火灾。管道为720×8.16mm螺旋焊管，压力1.9～2.5MPa。事故管段已经运行16年。爆口长度1440mm，沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气中含有H2S及补焊工艺不合理，使焊缝产生了马氏体组织和高的残余应力有关。催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并多数穿透壁厚；裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征；腐蚀产物的水溶液PH值在5～6，呈现酸性；断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属中的氮含量；结论是NO3-引起的应力腐蚀开裂。起因（%）材料选择不恰当38装配错误15错误的热处理15机械设计错误11未预见的操作条件8环境控制不够充分6不恰当的或缺少监测与质量控制5材料混杂2表3在一般工业工程中调查的失效原因的比例起因（%）保养不恰当44安装错误17设计缺陷16不正确的维修损坏10材料缺陷7未定原因8表4航空零件失效原因的比例机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？设计的问题材料选择上的问题加工制造及装配中存在的问题不合理的服役条件分析设计原因引起失效需要注意：对复杂构件进行可靠的应力计算，充分考虑构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小；在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小；避免设计时只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视脆性断裂、低循环疲劳、应力腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效；RD2车轴举例选材：使用性原则加工工艺性能原则经济性原则特殊环境材料中的缺陷：铸造焊接锻造热处理切削加工材料选择上的问题：制造及装配：酸洗及电镀导致的氢脆；不文明施工及安装导致的表面损伤；不合理的服役条件：超速、过载、不合理的启动和停车、异常介质的引入；键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽初始裂纹源裂纹扩展区最终瞬断区2.2应力集中与零件失效应力集中与应力集中系数应力集中对零件失效的影响降低应力集中的措施含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配，也会造成应力集中。变截面过渡圆角处的应力分布平均maxtK理论应力集中系数应力集中系数手册几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静扭转载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程度会受到哪些因素的影响？？提出问题：影响应力集中与断裂失效的因素材料力学性能零件几何形状零件应力状态加工缺陷装配、检修产生缺陷力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；影响应力集中与断裂失效的因素零件几何形状：断裂部位影响应力集中与断裂失效的因素零件应力状态：举例：上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局部脱碳。应力状态：弯曲疲劳缺陷：降低应力集中的措施强化材料，降低应力集中的作用整体强化局部强化工艺、特点合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数轴肩轴环合理设计，降低应力集中系数间隔环凹圆角卸载槽合理设计，降低应力集中系数减小轮毂端部的厚度轮毂上开卸载槽减小轮毂的刚度作阶梯轴合理设计，降低应力集中系数增大花键的直径开卸载槽孔上倒角过盈配合时增大配合处的直径合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析2.3残余应力与零件失效残余应力：物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力。（固有应力、内应力）分类第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空位引起。机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性有十分重要的影响。残余应力的作用适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，影响尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。作用热处理残余应力表面化学热处理残余应力焊接残余应力铸造残余应力涂镀层残余应力切削加工残余应力哪些工艺过程中会产生残余应力？产生了怎样的残余应力？残余应力是怎样产生的？？热应力＋组织应力＋拘束应力不均匀的塑性变形不均匀的温度变化不均匀的相变消除和调整残余应力的方法去应力退火金属材料种类温度/℃时间/h灰铸铁碳钢Cr不锈钢Cr-Ni不锈钢(316)铜合金(60Cu-40Zn)铜合金(64Cu-18Zn-18Ni)430-600600-680780-8008201902500.5-512211自然时效处理回火施加静载使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，使残余应力松弛。例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，产生所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。振动时效(VibrationStressRelief,VSR)锤击、喷丸、滚压振动等离子熔覆过程示意图0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象残余应力的测量方法破损法无损法盲孔法环芯法磁弹性法X射线衍射法在一块各向同性的板材中假定存在残余应力，钻一小孔后，孔周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出孔周围释放的应变，然后根据力学知识推算出残余应力。盲孔法的基本原理盲孔法测试残余应力应变片示意图静态电阻应变仪应变花钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成的影响不容忽视。改进方法：逐层剥除法阶梯钻孔法一点多次扩孔的盲孔测定法环芯法的测量原理一块各向同性的板材中假定存在双向残余应力，其上加工一环芯直径圆环槽，环芯周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出周围释放的应变，然后推算出残余应力的大小和方向。环芯法测量残余应力用的应变花缺点：机械加工是破坏性的，会影响零件继续使用；检测时已附加有加工应变，降低了检测精度；优点：直观、检测方便；可用剥层法测试材料深处的残余应力，测试精度在国家标准要求之内（误差小于25MPa）；适合于各类材料；中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究ResearchonMeasuringWeldingResidualStressofPlateofModerateThicknessUsingBlind-holeMethod优秀硕士论文：通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测量残余应力。当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程时会产生衍射。如果存在宏观残余应力，晶粒晶面间距会发生变化，X射线衍射峰的位置也将发生变化，依照此变化即可求得晶面间距的变化，从而求得应变，通过弹性力学理论即可求得残余应力（表面应力）。X射线衍射法的基本原理《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》张定铨何家文著西安交通大学出版社Stress3000衍射仪钢岔管测区位置示意图钢岔管外观多晶磁畴结构示意图磁弹性法的基本原理技术磁化过程的三个阶段磁弹性法的基本原理“巴克豪森噪声效应”拉应力时，平行于拉应力方向的磁畴将增加，巴克豪森噪声幅度值增加，磁弹性仪的输出电量增加。优点：方便、快速和准确缺点：只适用于磁性材料2.4材料的韧性与断裂设计低应力脆断通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的。脆断通常发生在比较低的工作温度下。脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如裂纹、缺口、夹杂等。厚截面、高应变速率促进脆断。共同点？材料的韧性：材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现。静力韧度―应力－应变曲线冲击韧度断裂韧度断裂韧度在失效分析中的应用举例：问题：材料将发生什么形式的失效？怎样建立失效判据以及相应的设计准则？不同应力状态下如何表示材料的抗力？2.5应力分析与失效分析工程构件所处的应力状态复杂多样应力状态影响材料的失效形式脆断铸铁拉伸、扭转时的断裂剪断铸铁压缩、硬铝拉伸时的断裂屈服低碳钢拉伸、扭转和压缩时为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于材料破坏原因的假设及计算方法。根据简单实验所测得的材料抗力，分析计算其他复杂应力状态下材料的强度。应力状态分析与强度理论脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。关于屈服的强度理论：最大切应力理论和最大畸变能密度理论塑性屈服：材料破坏前发生显著的塑性变形，且多发生在最大剪应力面上，例